华人科学家研发新型锂金属电池,可延长使用电子产品两倍时间

2020-06-20 5W访问
华人科学家研发新型锂金属电池,可延长使用电子产品两倍时间

据《MIT News》报导,由麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)校友胡启朝(Qichao Hu)于 2012 年创立的公司 SolidEnergy,已经研製出一款「无负极(anode-free)」的锂金属电池,其能量密度比用在消费性电子商品的锂离子电池还要高出两倍,能应用在智慧型手机、无人机、电动汽车等装置,且安全性与耐久度与一般锂离子电池不相上下。有了两倍能量密度,就可以让电池尺寸缩小一半,还依然保有跟锂离子电池相同的电力;或是维持一样大小,却能拥有两倍的电力。

这款电池基本上换掉了一般锂电池使用的负极材料──石墨,改成极度轻薄、高能量的锂金属箔片,以保有更多锂离子,并且提供更多电容量。对电解质进行化学改良后,也让短命和具有挥发性的锂金属电池变得更安全,更重要的是可以再充电。此外,这款电池还可以用现存的锂离子电池生产设备製造出来,让它们得以实践规模化。

2015 年 10 月,SolidEnergy 首度展示了智慧型手机的可充电锂金属电池。拥有两倍能量密度,尺寸只有 iphone 6 内建锂离子电池的一半大,却能容纳 2.0 安培小时的电量。相较之下,iphone 6 的电池只有 1,8 安培小时的电量而已。这项突破也让他们赢取投资者信任,获得了 1,200 万美金的资助。

华人科学家研发新型锂金属电池,可延长使用电子产品两倍时间 SolidEnergy 的锂金属电池只有 iphone 6 内建锂电池的一半大小

SolidEnergy 计画在 2017 年初将电池应用在智慧型手机与穿戴式装置上,紧接着在 2018 年进军电动车领域。不过第一个应用将会是在无人机上,预计在今年 11 月正式启航。「目前已有顾客打算使用无人机或气球,提供免费网路到发展中国家,或是协助调查救灾等工作。」胡启朝表示,能参与其中「相当令人期待,而且这是具有崇高目的的应用。」

将来,电动车搭载这款电池上路后,也会带来巨大的影响。以工业标準来看,电动车至少要充电一次就能行驶 200 英哩,才算合格。SolidEnergy 能在达到同样距离的条件下,让电池体积重量都减半;或是选择保持同样大小规格,却能充电一次就开到两倍的距离。

找到电池的「圣杯」,做出改善

电容量,就如同是电池的「圣杯」,电池的功能与价值均端赖于此。为了较佳电容量,并能持续使用,研究者十几年来不断尝试研发可充电的锂金属电池,可惜都无济于事。锂金属对于电池的电解质反应不佳。该液体会让离子在正极(阴极)与负极(阳极)间传导,形成化合物,增加电池之中的电阻并降低循环寿命;还会在负极上聚集一层锂金属针晶(dendrites),从而导致短路,甚至产生高热或爆炸。此外,也会让电池变得无法充电。

为了让电池更加安全,只好以性能作为代价。像是将液态电解质换成导电不佳的高分子固态电解质,而且要经高温加热后才有办法运作;或是採用无机电解质,只是难以规模化。

胡启朝在麻省理工学院作博士后研究时,跟随的是着名的电池研究专家 Donald Sadoway 教授。他曾经研发过几款熔盐及液态金属电池,而胡启朝则协助在锂金属电池方面进行了部分的关键设计以及材料改良,也因此奠下了 SolidEnergy 技术的基石。

其中一个具有独创性的技术,便是使用超薄的锂金属箔片作为电池负极,大约只有传统锂金属电池负极 1/5 的厚度,也比石墨、碳或是硅做成的负极更轻薄了数倍。而这就是能压缩电池尺寸的关键。然而,仍有一道重大关卡无法跨越,那就是它只能在摄氏 80 度以上的温度中运作。如果无法在室温中发挥,那幺这款电池在商业应用上也会受到限制。

为了解决这个困境,胡启朝研发出一种混合固态及液态的电解质溶液。他在锂金属箔片上涂上一层固态电解质,不必加热就能发挥作用;并创造出一种不可燃的準离子液态电解质。而经过化学改良的分隔器与零件设计,则能够遏止锂金属的负面化学反应。

最后的成果,就是该电池同时拥有锂金属电池的电容量,以及锂离子电池的安全性与耐久度,更棒的是还能在室温下运作。

因祸得福,在困境中找到突破口

至于在商业方面,胡启朝当时常常前往麻省理工学院马丁基金创业中心(Martin Trust Center for MIT Entrepreneurship),听取专家以及投资者的洞见。他也参加了能源企业课程,并藉此招募成立了一个团队,以新电池为主轴,共同研拟商业计画。

他们靠着该计画,在麻省理工学院的 10 万美金创业竞争加速器大赛(MIT $100K Entrepreneurship Competition’s Accelerator Contest)上拔得头筹,并进入了 MIT 绿能奖(MIT Clean Energy Prize)决选名单,最后代表麻省理工学院前往白宫参加全国绿能竞赛,获得第二名。

2012 年底,正当胡启朝蓄势待发要成立 SolidEnergy 时,发展先进锂离子电池的另一间麻省理工学院分拆公司 A123 却申请了破产,研发电池的前景似乎一片黯淡。不过靠着胡启朝的关係,SolidEnergy 得以使用 A123 公司闲置的设施,包含乾燥洁净室与生产设备,製造出电池原型。当 A123 在 2013 年被併购后,SolidEnergy 签属了合作协议,继续利用他们的资源。

通常材料的变革,也代表製程及设备都要跟着汰旧换新,导致初期难以规模化,而且往往不切实际。但胡启朝的团队被迫採取比较「克难」的方式,利用现有的锂离子生产设备,彻底了解哪些材料可以用在这类製程上,才设计出了既新颖又具商业价值的电池。

经过 3 年努力,SolidEnergy 终于搬到了位在沃本(Woburn)的全新总部,这里拥有全国最先进的实验设施,并且比原本的地方大上 10 倍,可以塞得下一具波音 747 的机翼。他们接着下一步,就是在 11 月推出产品,率先在能源科技领域立下一座新的里程碑。